胡煜華，王鑫炎，李貝

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051）

1 引言

作為新一代數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施，5G網(wǎng)絡(luò)已進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)和商用階段，3.5 GHz作為5G網(wǎng)絡(luò)部署的主力頻段，相較于3G/4G網(wǎng)絡(luò)普遍使用的1.8 GHz、2.1 GHz等頻段，帶寬資源更加豐富，但由于路徑損耗、穿透損耗相對(duì)較高，上下行覆蓋差異明顯，上行覆蓋受限。5G網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)不斷融合應(yīng)用，要求更高的上行速率和更低的時(shí)延，采用單一的3.5 GHz頻段部署單層網(wǎng)，難以完全滿足多元化業(yè)務(wù)發(fā)展、提升用戶體驗(yàn)的需求。結(jié)合各頻段頻譜特性，利用2.1 GHz等低頻頻段增強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)上行覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和性能的提升。

2 5G頻譜資源

頻譜是移動(dòng)通信領(lǐng)域的核心資源，3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的5G NR（new radio）頻譜主要包括sub-6 GHz（410～7 125 MHz）和毫米波（24 250～52 600 MHz），分散在多個(gè)頻段，分為頻分雙工（frequency division duplex，F(xiàn)DD）、時(shí)分雙工（time division duplex，TDD）、補(bǔ)充上行鏈路（supplementary uplink，SUL）等多種模式。目前商用5G網(wǎng)絡(luò)主要使用了TDD模式3.5 GHz、2.6 GHz頻段，與4G FDD網(wǎng)絡(luò)使用的1.8 GHz、2.1 GHz等頻段相比，有大帶寬優(yōu)勢，并且低路徑損耗條件下單用戶峰值速率明顯高于4G，但是穿透損耗較高，商用5G網(wǎng)絡(luò)上下行時(shí)隙配比為3:7、1:4或2:8，上行可用時(shí)隙占比較少，存在上行帶寬、上行覆蓋、傳輸時(shí)延等方面的挑戰(zhàn)。

2.1 TDD模式上下行帶寬結(jié)構(gòu)

TDD模式采用時(shí)分雙工方式傳輸，上行和下行使用相同頻率，國內(nèi)NR 3.5 GHz頻段上下行時(shí)隙配比為3:7（30%時(shí)隙用于上行，70%時(shí)隙用于下行），在下行時(shí)隙終端無法發(fā)射數(shù)據(jù)，按照100 MHz頻譜帶寬，用于上行的帶寬只有30 MHz，只是4G單載波的1.5倍，上行帶寬相比4G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢并不明顯。圖1是2.5 ms雙周期、5 ms單周期兩種典型TDD NR幀結(jié)構(gòu)上行占比情況。

圖1 兩種典型TDD NR幀結(jié)構(gòu)上行占比情況

2.2 上下行鏈路預(yù)算

根據(jù)無線信號(hào)自由空間路徑損耗公式可知，頻率越高，空間傳播損耗越大，覆蓋距離越短。NR 3.5 GHz頻段帶寬大，采用典型幀結(jié)構(gòu)時(shí)，下行時(shí)隙占比高，由于TDD最大支持8個(gè)SSB（同步信號(hào)和PBCH塊），而FDD最大支持4個(gè)SSB，NR TDD 3.5 GHz陣面覆蓋會(huì)比NR FDD 2.1 GHz陣面覆蓋大3 dB，所以NR TDD 3.5 GHz下行覆蓋距離與NR FDD 2.1 GHz下行覆蓋距離基本相當(dāng)，但上行時(shí)隙占比低，上行能力有限，上行覆蓋是采用3.5 GHz頻率的瓶頸。以2.6 GHz為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別計(jì)算2.1 GHz和3.5 GHz頻段上行鏈路預(yù)算理論值，預(yù)算結(jié)果表明，以NR TDD 2.6 GHz TDD為基準(zhǔn)，NR TDD 3.5 GHz上行損耗高于基準(zhǔn)5.6 dB，NR FDD 2.1 GHz上行損耗低于基準(zhǔn)3.2 dB。上行鏈路預(yù)算理論值見表1。

表1 上行鏈路預(yù)算理論值（單位dB）

鏈路預(yù)算理論值是自由空間的傳播損耗，在非自由空間的情況下，雖然5G網(wǎng)絡(luò)中引入了大規(guī)模MIMO等先進(jìn)技術(shù)，縮小與中低頻段在傳播損耗上的差異，但3.5 GHz頻段的覆蓋能力仍弱于傳統(tǒng)低頻段。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中考慮建筑物墻壁等的穿透損耗等，低頻段的覆蓋優(yōu)勢更加明顯。穿透損耗測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 穿透損耗測試數(shù)據(jù)（單位dB）

2.3 TDD模式傳輸時(shí)延

TDD模式下，數(shù)據(jù)收發(fā)采用相同的頻點(diǎn)，基站與終端通過時(shí)間來區(qū)分上下行，上下行數(shù)據(jù)需要等對(duì)應(yīng)的上下行時(shí)隙到來才能被調(diào)度，對(duì)于NR TDD 3.5 GHz頻段上下行時(shí)隙配比雙周期3:7，假設(shè)數(shù)據(jù)隨機(jī)到達(dá)，上行會(huì)增加等待0～4時(shí)隙，平均等待0.8 ms；下行會(huì)增加等待0～2時(shí)隙，平均等待0.2 ms。

3 上行覆蓋增強(qiáng)方案對(duì)比與仿真

為加快5G NR部署，初期采用4G和5G共站點(diǎn)策略，但是由于頻段高、上行時(shí)隙占比低，使得5G的上行覆蓋弱于4G，出現(xiàn)5G覆蓋不連續(xù)的情況。為了解決5G在高頻段部署時(shí)由于高路損帶來的覆蓋問題，引入部分低頻段資源進(jìn)行上行傳輸，通過高、低頻載波協(xié)同提升上行覆蓋能力。

3.1 上行覆蓋增強(qiáng)方案

為增強(qiáng)上行覆蓋，補(bǔ)充上行鏈路SUL、超級(jí)上行、載波聚合是目前利用多個(gè)頻段協(xié)同組網(wǎng)的解決方案。

3.1.1 補(bǔ)充上行鏈路方案

補(bǔ)充上行鏈路SUL技術(shù)是一種單小區(qū)雙上行鏈路技術(shù)，補(bǔ)充一個(gè)處于低頻段的上行鏈路來保證上行覆蓋，同一個(gè)小區(qū)內(nèi)配置一個(gè)DL頻段（NR頻段）和2個(gè)上行頻段（NR頻段+SUL頻段）。SUL頻段只有上行，不能單獨(dú)使用，和FDD-NR頻段的上行定義完全相同。

如圖2所示，下行數(shù)據(jù)在NR TDD 3.5 GHz傳輸，下行沒有FDD鏈路，在上行覆蓋良好時(shí)，終端采用NR載波進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)超出NR上行載波覆蓋時(shí)，終端采用SUL載波發(fā)送上行數(shù)據(jù)。終端在NR和SUL之間動(dòng)態(tài)選擇上行鏈路，同一個(gè)時(shí)刻終端只能選擇其中的一條發(fā)送。

圖2 補(bǔ)充上行鏈路技術(shù)原理

3.1.2 超級(jí)上行方案

超級(jí)上行利用NR FDD增強(qiáng)上行覆蓋、體驗(yàn)及容量。FDD頻段低，覆蓋能力強(qiáng)，頻分雙工方式傳輸無額外等待時(shí)延，但傳輸帶寬較??；TDD頻段帶寬大，上下行均使用成熟應(yīng)用的MIMO技術(shù)，在相同的子載波間隔前提下，覆蓋和時(shí)延方面比FDD弱。超級(jí)上行技術(shù)實(shí)現(xiàn)FDD NR和TDD NR上行輪發(fā)，如圖3所示，在近中點(diǎn)，3.5 GHz NR發(fā)送下行數(shù)據(jù)時(shí)刻，調(diào)度終端使用FDD上行頻譜發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)FDD上行時(shí)隙和TDD上行在時(shí)域的互補(bǔ)，從而提升上行鏈路吞吐率；遠(yuǎn)點(diǎn)3.5 GHz NR上行受限，終端只使用FDD上行頻譜發(fā)送數(shù)據(jù)。

嘉興項(xiàng)氏的研究雖有系列成果問世，但其家族之溯源未有人詳細(xì)論及，關(guān)于其家族特點(diǎn)與其鑒藏之關(guān)系、家世與鑒藏印鑒的關(guān)聯(lián)、家族成員及其鑒藏活動(dòng)和相關(guān)藏品的研究仍有待深入。本文結(jié)合上述研究成果，再整合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)嘉興項(xiàng)氏鑒藏家族作進(jìn)一步探究。

圖3 超級(jí)上行技術(shù)原理

3.1.3 載波聚合方案

載波聚合（carrier aggregation，CA）技術(shù)把不同頻段或相同頻段的頻譜資源聚合起來使用提升資源利用率，即通過FDD+TDD載波聚合實(shí)現(xiàn)時(shí)域+頻域聚合、高頻+低頻聚合、吞吐率最大化，上下行均可利用兩個(gè)頻段選擇性發(fā)送，平均時(shí)延降低，滿足2B類業(yè)務(wù)低時(shí)延需求。如圖4所示，載波聚合方案把FDD和TDD頻譜在時(shí)域和頻域上協(xié)同，終端在小區(qū)中心利用FDD+TDD頻譜同時(shí)進(jìn)行上下行傳輸，在小區(qū)邊緣把上行切換到FDD提升上行覆蓋，下行保持FDD+TDD聚合。5G終端能力起步高，上行支持雙發(fā)，具備上行跨頻段載波聚合條件。

圖4 載波聚合技術(shù)原理

在協(xié)議支持方面，3GPP R15規(guī)范已經(jīng)支持FDD 700 MHz（n28）、900 MHz（n8）、1.8 GHz（n3）與TDD 3.5 GHz（n78）的載波聚合；3GPP R16規(guī)范增加支持FDD 850 MHz（n5）、2.1 GHz（n1）與TDD 3.5 GHz（n78）的載波聚合。

3.2 上行覆蓋增強(qiáng)方案對(duì)比分析

5G商用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能提出了越來越高的要求，上行增強(qiáng)技術(shù)需要支持多個(gè)頻段、多個(gè)站點(diǎn)之間的靈活調(diào)度和協(xié)同能力。補(bǔ)充上行鏈路（SUL）由于采用了NR和SUL頻段之間的緊耦合能力，要求SUL和NR組成同一個(gè)小區(qū)，不支持跨站跨小區(qū)。超級(jí)上行需要3.5 GHz與2.1 GHz共扇區(qū)并嚴(yán)格共工參，不支持跨站跨小區(qū)。CA架構(gòu)下，TDD與FDD解耦，可各自獨(dú)立組網(wǎng)。CA增強(qiáng)上行覆蓋同時(shí)提升上、下行速率；超級(jí)上行增強(qiáng)上行覆蓋，提升上行速率；補(bǔ)充上行鏈路SUL載波只增強(qiáng)上行覆蓋，CA方案具有一定的優(yōu)勢。3種方案比較見表3，其中，場景A是小區(qū)中心，場景B是小區(qū)邊緣。

表3 3種方案比較

3.3 仿真評(píng)估

通過Atoll軟件進(jìn)行TDD單載波與FDD+TDD載波聚合仿真實(shí)驗(yàn)，仿真場景見表4。

表4 仿真場景

定義參考信號(hào)接收功率（reference signal receiving power，RSRP）強(qiáng)度?75 dBm為近點(diǎn)，強(qiáng)度?105 dBm為遠(yuǎn)點(diǎn)，峰值速率和覆蓋半徑仿真結(jié)果見表5，載波聚合對(duì)覆蓋半徑和上、下行速率均有明顯提升。

表5 仿真結(jié)果

4 載波聚合方案優(yōu)勢和限制

上行增強(qiáng)技術(shù)需要支持多個(gè)頻段、多個(gè)站點(diǎn)之間的靈活調(diào)度和協(xié)同能力。載波聚合能提升5G上行覆蓋能力、降低時(shí)延、提升上下行容量。

4.1 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋

在高路損場景，上行方向FDD覆蓋距離好于TDD，而在下行方向，TDD載波的波束成形、大功率和大帶寬優(yōu)勢可以繼續(xù)維持服務(wù)，F(xiàn)DD為CA主載波，可彌補(bǔ)TDD上行不足。終端同時(shí)連接FDD和TDD兩個(gè)載波，在小區(qū)邊緣上行傳輸切換到覆蓋更好的FDD載波上，下行保持TDD載波大帶寬。以2.1 GHz和3.5 GHz雙載波為例，終端在3.5 GHz上行覆蓋邊緣時(shí)可切換到2.1 GHz，上行傳輸時(shí)隙比單3.5 GHz增加2.3倍，而下行可用帶寬比2.1 GHz多2.5倍。協(xié)同后產(chǎn)生“1+1＞2”的收益。

4.2 提升網(wǎng)絡(luò)容量

FDD+TDD載波聚合上行采用輪發(fā)方式，在TDD上行時(shí)隙終端雙發(fā)全部用于TDD 2×2 MIMO傳輸，而在TDD下行時(shí)隙切換到FDD進(jìn)行上行傳輸，快速切換機(jī)制使上行方向保持TDD 2×2 MMO能力，可用時(shí)隙提升到接近100%。以2.1 GHz 20 Mbit/s和3.5 GHz 100 Mbit/s雙載波為例，終端上行帶寬可提升23%，終端下行帶寬可提升28%。如果2.1 GHz頻段能夠使用 50 Mbit/s帶寬，則上下行提升空間可進(jìn)一步擴(kuò)大到58%和71%，容量提升明顯。

4.3 降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

終端可利用FDD和TDD兩個(gè)載波選擇性收發(fā)，隨時(shí)都有可用的發(fā)射時(shí)隙，無須額外等待，能降低傳輸時(shí)延。如圖5所示，以上行為例，3.5 GHz TDD單載波的上行平均傳輸時(shí)延約為2.2 ms，采用載波聚合技術(shù)后假設(shè)數(shù)據(jù)包隨機(jī)到達(dá)，部分?jǐn)?shù)據(jù)包（如3.5 GHz載波上第1、2、5、6、10時(shí)隙）到達(dá)后，不需要在3.5 GHz的上行時(shí)隙發(fā)送，而是轉(zhuǎn)接到2.1 GHz FDD最近的上行時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送，普遍等待時(shí)延能減少1～3個(gè)時(shí)隙，平均可減少0.7 ms，可降低到1.5 ms，降幅達(dá)31%。同等帶寬條件下，時(shí)延和業(yè)務(wù)速率成反比，時(shí)延降低后端到端業(yè)務(wù)速率會(huì)得到提高，從而提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

圖5 TDD單載波與FDD+TDD載波聚合時(shí)延對(duì)比

4.4 FDD+TDD協(xié)作靈活

FDD和TDD各自都能獨(dú)立組網(wǎng)，載波有獨(dú)立的上下行鏈路，能廣播和支持終端直接接入，測量和功控等閉環(huán)操作完備，因此可應(yīng)用于扇區(qū)間和站間，不必要求FDD和TDD載波共站或者共工參，組網(wǎng)上有很大的靈活性。

如圖6所示，每個(gè)終端都可以同時(shí)測量多個(gè)FDD和TDD鄰區(qū)載波信號(hào)，每個(gè)FDD載波都可以與多個(gè)TDD載波同時(shí)進(jìn)行載波聚合，每個(gè)TDD載波也可與多個(gè)FDD載波同時(shí)進(jìn)行載波聚合，每個(gè)聚合組合都是為特定終端動(dòng)態(tài)建立的?；究山Y(jié)合終端能力、無線條件和業(yè)務(wù)性能需求等，動(dòng)態(tài)指示終端選擇不同工作模式。

圖6 載波聚合工作模式

4.5 載波聚合方案的限制

2.1 GHz頻段目前主要用于3G/4G網(wǎng)絡(luò)，需要加快2.1 GHz頻率騰退，以NR為目標(biāo)積極推進(jìn)2.1 GHz重耕。對(duì)FDD和TDD不共站部署或者扇區(qū)覆蓋不完全重疊的場景，F(xiàn)DD+TDD載波聚合會(huì)對(duì)站間協(xié)同接口提出嚴(yán)格的傳輸時(shí)延要求。另外，載波聚合需要一定的觸發(fā)條件。載波聚合中的輔載波添加/激活門限可以靈活配置，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)需要進(jìn)行合理配置來滿足對(duì)應(yīng)需求。在載波聚合場景下，對(duì)于輔載波引入了激活機(jī)制，載波聚合觸發(fā)分以下兩種情況。

（1）根據(jù)信號(hào)測試強(qiáng)度觸發(fā)。如輔載波測量信號(hào)強(qiáng)度高于主載波一定強(qiáng)度。

（2）根據(jù)業(yè)務(wù)需要配置觸發(fā)。在主載波出現(xiàn)業(yè)務(wù)擁塞則會(huì)觸發(fā)輔載波激活，擁塞判決相關(guān)門限可靈活配置。如非保證比特速率（non-guaranteed bit rate，NGBR）業(yè)務(wù)的聚合最大比特速率（aggregate maximum bit rate，AMBR）或者保證比特速率GBR未滿足。

5 結(jié)束語

補(bǔ)充上行鏈路和超級(jí)上行為小區(qū)內(nèi)上行增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡單，無額外信令開銷；載波聚合是小區(qū)間協(xié)調(diào)技術(shù)，涉及輔載波的測量、增刪、切換等操作，靈活但是復(fù)雜度高，增加了額外信令開銷，但能同時(shí)解決5G上下行覆蓋問題，并提高邊緣用戶速率，具備演進(jìn)性。當(dāng)前正在促進(jìn)3.5 GHz 200/300 Mbit/s、2.1 GHz 2×50 Mbit/s產(chǎn)業(yè)鏈成熟，頻率充分共享，發(fā)揮3.5 GHz容量優(yōu)勢、2.1 GHz覆蓋優(yōu)勢，高低頻協(xié)同、多種設(shè)備形態(tài)組合，構(gòu)造分層網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)立足4G/5G共存、協(xié)同發(fā)展，利用動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)，加速4G頻譜資源向5G重耕。隨著現(xiàn)有頻段逐步重耕，5G可獲得的頻段更豐富，多頻段載波聚合和協(xié)同組網(wǎng)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，提供更好的用戶體驗(yàn)。